單面焊雙面成形技術(shù)在水平固定管對(duì)接焊中的應(yīng)用探討*

寇元哲

(隴東學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

0 引 言

水平固定管對(duì)接焊，是最常用的鋼管焊接技術(shù)之一，應(yīng)用極廣，如輸氣管道、供暖管道、輸油管道等等。水平固定管對(duì)接焊通常稱為吊焊，是將管子懸吊在水平位置或接近水平的位置焊接(見圖1)，要通過仰、立、平焊三種位置進(jìn)行焊接[1]。因?yàn)楹缚p是環(huán)形的，焊接過程中要隨焊縫空間位置的變化而通過相應(yīng)調(diào)整焊條角度，才能保證正常操作，操作有一定難度。

圖1 水平固定管對(duì)接焊示意圖

在水平固定管對(duì)接焊方面，單面焊雙面成形焊接技術(shù)的作用更顯突出。該技術(shù)不受構(gòu)件形狀、尺寸和空間位置的限制，操作方便，且焊接接頭強(qiáng)度高、質(zhì)量好、安全可靠。優(yōu)質(zhì)的單面焊雙面成形焊接的焊縫表面應(yīng)圓滑過渡至母材,表面不得有裂紋、未熔合、夾渣、氣孔、焊瘤、咬邊等缺陷,焊縫內(nèi)部同樣不允許有缺陷[2]。但是，在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中由于設(shè)備、材料、工藝及操作等原因,使得形成的焊縫達(dá)不到質(zhì)量要求,從而對(duì)結(jié)構(gòu)的工作質(zhì)量和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，探討單面焊雙面成型技術(shù)在管對(duì)接焊的應(yīng)用，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐、確保焊接生產(chǎn)質(zhì)量具有重要的意義。

1 單面焊雙面成形技術(shù)特點(diǎn)

單面焊雙面成形技術(shù)是以單面施焊的方式，在具有單面坡口的焊件上, 獲得內(nèi)部無缺陷，正、背兩面外觀成形良好焊縫的一種操作方法。

單面焊雙面成形技術(shù)是焊條手工電弧焊難度較大的一種操作技術(shù)，同時(shí)又是各類技能考試，技術(shù)比武，特別是鍋爐、壓力容器和壓力管道焊工必須熟練掌握的基本技能。由于焊縫是環(huán)形的，在焊接過程中需經(jīng)過仰焊、立焊、平焊等幾種位置，因此焊條角度變化較大，對(duì)焊接人員的操作技能熟練程度要求較高，掌握好每個(gè)位置的操作要領(lǐng)，是保證高質(zhì)量完成焊接任務(wù)的首要條件。

2 單面焊雙面成形技術(shù)在水平固定管焊接中的應(yīng)用

2.1 裝配及定位焊

裝配時(shí)除了清理坡口表面，修銼鈍角等要求外，還應(yīng)該做到以下幾方面。

(1) 管子軸線中心必須對(duì)正，內(nèi)外壁要齊平。應(yīng)使根部間隙上部大于仰位0.5～2.0 mm，以作為焊接是焊縫的收縮量。根部間隙一般為2.5～3.2 mm。

(2) 管徑不同時(shí)，定位焊縫所在位置和數(shù)目也不同，見圖1。小管(<φ51 mm)定位焊一處，在后根部(焊接時(shí)，管子分為兩半焊接，后焊的一半叫后半圈)的焊口斜平位置上；中管(φ51～133 mm)定位焊兩處，在平位和后半圈的立位位置上；大管(>φ133 mm)定位焊三處。定位焊焊縫長度一般為10～20 mm，高度適中，太低易開裂，太高會(huì)給第一層焊道帶來困難，定位焊電流選擇要比正式焊接電流大些，使起弧處有足夠的溫度，防止粘合，收弧時(shí)，一定要填滿弧坑[3-4]。定位焊點(diǎn)易產(chǎn)生缺陷，如發(fā)現(xiàn)缺陷必須鏟除重焊，熔渣與飛濺也要清除，旦盡量將定位焊的焊肉兩端修成坡形，以便正式焊接時(shí)，易保證焊縫質(zhì)量。

水平固定管焊接，常從管子仰位開始分為兩半焊接，先焊的一半叫前半圈；后焊的一半叫后半圈，兩半圈焊接都按仰→立→平位的順序進(jìn)行，這樣的焊接順序有利于對(duì)熔化金屬與熔渣的控制，便于焊縫成型。

2.2 打底層焊接

小直徑管一般壁厚較小，只需焊接一道即可填滿焊道。焊接通常分為左右兩個(gè)半圈進(jìn)行。前半圈的起焊位置選在如圖2所示的A點(diǎn)，經(jīng)“9”點(diǎn)焊至B點(diǎn)收弧。后半圈由“6”點(diǎn)起焊，經(jīng)“3”點(diǎn)焊到“12”點(diǎn)收弧。整條環(huán)縫在仰焊和平焊位置各有一個(gè)接頭，同時(shí)每半圈焊縫都存在仰、立、平三種位置的焊接[5]。但是焊接過程又不適宜隨時(shí)調(diào)節(jié)焊接電流，因此不同位置的焊接，全靠改變焊條與焊件的夾角、電弧然燒和熄滅時(shí)間的長短、每分鐘滅弧的次數(shù)等操作來調(diào)節(jié)焊接線能量，以保證焊縫質(zhì)量。

為了使坡口根部焊透，并獲得良好的背面成型，應(yīng)采用單面焊雙面成型操作技術(shù)施焊。焊接電流應(yīng)該小于平焊5%～10%，而比立焊時(shí)要大10%～15%。采用單面滅弧擊穿焊法，焊接不同位置的焊條的角度。先焊前半圈時(shí)，起焊和收弧部位都要超過管子垂直中心線5～10 mm，以便于焊接后半圈時(shí)接頭。如圖3所示。

圖2 水平固定管施焊 圖3 水平固定管焊接時(shí) 示意圖 的焊條角度

焊接從仰位開始，起焊時(shí)在坡口內(nèi)引弧并把電弧引至間隙中，電弧盡量壓短至約1 s左右，使弧柱透過內(nèi)壁融化并擊穿坡口的根部，聽到背面電弧的擊穿聲，立即滅弧，形成第一個(gè)熔池。當(dāng)熔池降溫顏色變暗時(shí)，在壓低電弧向上頂，形成第二個(gè)熔池，如此反復(fù)均勻地點(diǎn)射給送熔滴向前施焊。這樣逐步將鈍邊熔透時(shí)背面成型，直至將前半圈焊完。

后半圈的操縱方法與前半圈相似，但要進(jìn)行仰位，平位的兩處接頭。仰位接頭時(shí)，應(yīng)把起焊處的較厚焊縫用電弧割成緩坡形(有時(shí)也可以用角形砂輪機(jī)或扁鏟工具修整出緩坡)。操作時(shí)先用長弧烤熟接頭，當(dāng)出現(xiàn)熔化狀態(tài)圖4(a)時(shí)立即拉平焊條，壓住熔化金屬，通過焊條端頭的推力和電弧的吹力把過后的熔化金屬去除而形成一緩坡割槽圖4(b)、圖4(c),如果一次割不出緩坡，可以多做幾次。然后馬上把拉平的焊條有度調(diào)整為正常焊接的角度圖4(d),進(jìn)行仰位接頭，切忌滅弧，必須將焊條向上頂一下，以擊穿熔化的根部形成溶孔使仰位接頭完全熔合，轉(zhuǎn)人正常的滅弧擊穿焊接。平位接頭時(shí)，運(yùn)條至斜立焊位置，采用頂弧焊，即將焊條前傾(見圖5)，當(dāng)焊至距接頭3～5 mm即將封閉時(shí)，絕不可滅弧焊，應(yīng)把焊條向內(nèi)壓一下，聽到擊穿聲后，使焊條在接頭處稍作擺動(dòng)，填滿弧坑后熄弧。當(dāng)與定位焊縫相接時(shí),也需用上述方法操作[5]。

圖4 水平固定管焊仰焊接頭操作方法

打底層施焊時(shí)，為了得到優(yōu)質(zhì)的焊縫和艮好的背面成形，運(yùn)條動(dòng)作要穩(wěn)定并準(zhǔn)確，滅弧動(dòng)作要果斷，電弧要控制短些，保持大小適宜的熔孔。過大的熔孔會(huì)使焊縫背面產(chǎn)生下墜或焊瘤，特別是仰焊部位易出現(xiàn)內(nèi)凹，平焊部位易出現(xiàn)背面焊縫過高或焊癌的現(xiàn)象。因此要求在仰焊位位置操作時(shí)，電弧在坡口兩側(cè)停留時(shí)間不宜過長，并且電弧盡量向上頂焊，在平焊位置時(shí)電弧不能在熔池的前面多停留，并保持2/3的電弧落在熔池上，這樣有利于背面有較好的成形。

圖5 水平固定管仰焊接頭操作方法

2.3 填充層焊接

對(duì)于大管來說，要進(jìn)行填充焊。大直徑管一般壁厚較大，通常需要焊接多層才能填滿坡口。和小管一樣，大管的第一層焊道，即單面焊雙面成型焊道，也可分為前后兩個(gè)半圈進(jìn)行焊接。每個(gè)半圈的焊接過程中，接頭技術(shù)和焊條角度等都與小管焊接時(shí)相同，只是前半圈起焊位置需距“6”點(diǎn)稍遠(yuǎn)些，焊接過程中應(yīng)控制熔孔均勻，仰焊位和平焊位每分鐘電弧燃滅次數(shù)約35次，立焊位的焊接節(jié)奏稍快，約為40次。焊接時(shí)，由于填充層的焊波較寬，一般采用月牙形或鋸齒形運(yùn)條，焊接時(shí)，運(yùn)條到坡口兩倒要稍作停頓，以保證焊道與母材良好熔合，又不咬邊。填充層的最后一層，不能高出管子外壁表面，又要留出破口邊緣，以便于表面層的焊接。填充層的焊接相對(duì)比較容易，但工藝參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣、層間未焊透等缺陷[5]。

填充層的焊接雖然相對(duì)比較容易，但工藝參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣、層間未焊透等缺陷。中間層焊波較寬，一般采用月牙形或鋸齒形運(yùn)條進(jìn)行連續(xù)焊接，在坡口兩側(cè)應(yīng)稍作停留，焊角角度也要相應(yīng)有所變化。

2.4 表面層的焊接

表面層焊縫應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，焊一定的焊縫增高量，焊縫外表應(yīng)均勻美觀，沿圓周基本一致。為使表面焊縫中間稍凸起一些并與母材圓滑過渡，運(yùn)條叮采用月牙形法，焊條擺動(dòng)稍慢而平穩(wěn)，坡口兩側(cè)要有足夠的停留時(shí)間，當(dāng)坡口較寬時(shí)，可以采用多道焊，應(yīng)先焊坡口兩側(cè)，后焊中間，運(yùn)條至兩側(cè)要稍作停頓，防止咬邊，要嚴(yán)格控制弧長，盡量保持焊縫寬窄一致，波紋均勻。

2.5 蓋 面

蓋面焊接又稱加強(qiáng)面焊接，它不但要使焊縫外表美觀，實(shí)質(zhì)上也反映了其內(nèi)部質(zhì)量，蓋面時(shí)，可采用月牙運(yùn)條，擺動(dòng)要慢而穩(wěn)，使焊波均勻美觀。一般每邊寬度要比坡口增寬1.5 mm左右。余高一般仰焊部位0.5～3 mm，其它部位為0.5～2.5 mm，嚴(yán)重的咬邊、余高過高或不足、過度陡急等均不允許[5]。

3 水平固定管焊接中幾個(gè)關(guān)鍵工藝要領(lǐng)

3.1 引 弧

水平固定管焊接在施焊時(shí)整個(gè)焊接工序從仰焊、立焊到平焊，焊接的方式不斷的變化，要求焊接人員的技能熟練程度較高；引弧一定要注意，不能在焊縫區(qū)域周邊隨意敲擊引弧，因?yàn)楹笚l敲擊工件時(shí)，會(huì)形成弧坑，如果我們用顯微鏡觀察，形成的弧坑會(huì)有網(wǎng)狀的裂紋，這些裂紋都將會(huì)給工件的運(yùn)行帶來安全隱患。因此引弧時(shí)我們將焊條夾好，檢查焊條的鐵芯是否被藥皮包覆住，要保證我們目測(cè)能看見鐵芯，然后采用畫擦法引弧，將電弧拉到施焊的部位。

3.2 起弧點(diǎn)施焊

3.2.1焊縫打底

電弧引燃后，將電弧拖拽到焊縫垂直線的前方10～15 mm處，對(duì)準(zhǔn)焊縫，將電弧拉長至4～5 mm，利用弧區(qū)的高溫對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行電弧預(yù)熱3～5 s，然后將電焊條往焊縫一頂，焊條作微量的擺動(dòng)，將焊條融化的鐵水過渡到工件的兩邊，形成焊縫，從面罩的鏡片中觀察熔池的變化情況，如果發(fā)現(xiàn)熔池中的鐵水有下墜的可能，應(yīng)馬上采取斷弧手法，當(dāng)從面罩中看到熔池轉(zhuǎn)暗時(shí)再繼續(xù)施焊；這時(shí)一定要觀察好熔池、壓低電弧，電弧長度控制在2 mm左右，控制好手法和焊接速度，采用焊條作月牙形幅度擺動(dòng)或直線上下反復(fù)的手法；當(dāng)從仰焊過渡到立焊時(shí)，要注意隨時(shí)調(diào)整焊條角度，將焊接的電弧1/3對(duì)準(zhǔn)熔池，2/3的電弧對(duì)準(zhǔn)焊縫，控制好焊接速度，采用一“看”，隨時(shí)觀察熔池的大小，電弧的長短，電弧對(duì)準(zhǔn)的部位，使其基本保持一致。二“聽”，聽熔池焊頭的聲音，凡是聽到電弧在管道內(nèi)有種“噗、噗”聲，證明焊透。三“準(zhǔn)”，施焊時(shí)熔孔的斷點(diǎn)位置把握準(zhǔn)確。當(dāng)從立焊轉(zhuǎn)入平焊時(shí)，要掌握好焊條角度，觀察好熔池，焊條作兩邊輕微擺動(dòng)，到頂部時(shí)要保證焊縫焊透，焊縫前始終保持有個(gè)小圓孔[6]。

3.2.2底部接縫打底

采用畫擦法引弧，將電弧拖拽到底部焊縫起焊處，弧長控制4～6 mm，利用電弧的高溫對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱4～5 s，利用焊條將熔化的金屬鏟除，然后在此處接弧，按照第一步的程序進(jìn)行施焊，該工序一定要注意觀察好熔池，保證反面成型。

3.2.3頂部收弧

第一道打底焊當(dāng)我們從底部逐一焊接到上部的部位時(shí)，這時(shí)我們的焊接方式由立焊轉(zhuǎn)成平焊，焊接手法采用半月牙形小范圍擺動(dòng)，電弧長控制在2～4 mm，必要的時(shí)候還必須采用斷弧焊，與前面焊縫連接時(shí)要延長10～15 mm才能?；?。蓋面焊收弧時(shí)電弧長度控制在2～4 mm，在同一部位做圓周畫弧兩周然后?；?。

3.3 焊接時(shí)焊條角度的控制

起始焊時(shí)焊縫是在工件的底部，焊接的空間位置為仰焊，此時(shí)的焊條角度與工件呈80°～85°，該處利用長弧將工件預(yù)熱，焊接到工件的30°時(shí)，進(jìn)入立焊部位要變換焊條角度為70°～80°，當(dāng)焊接到工件的150°時(shí)進(jìn)入平焊區(qū)域，焊條與工件的角度成80°～90°，蓋面焊時(shí)電弧還必須變換方向，弧光在前改成在后，直到與前次焊縫連接收弧。

為保證焊接質(zhì)量，防止弧偏吹，影響焊縫成形美觀，形成咬邊和夾渣等缺陷，焊條要盡可能地保持在焊縫的中間，垂直兩邊各成90°，焊條與焊縫的前進(jìn)方向的夾角成70°～80°[7]。

3.4 更換焊條，接弧和收弧

在更換焊條時(shí)，盡量動(dòng)作要快，如果熔池還呈紅色時(shí)馬上接弧繼續(xù)施焊；當(dāng)熔渣變成黑色時(shí)，應(yīng)當(dāng)敲掉焊渣，引弧后將電弧拉長4～5 mm對(duì)接弧處進(jìn)行短暫預(yù)熱，然后進(jìn)行焊接。每次更換焊條前的收弧我們都應(yīng)當(dāng)將電弧壓短，否則會(huì)形成弧坑，造成焊縫的內(nèi)部缺陷；焊縫即將完成的收弧要領(lǐng)，必須超過前次焊道的10～15 mm處，將電弧長度控制在2～4 mm在此處稍作停留然后滅弧。

4 結(jié) 語

水平固定管焊接技術(shù)是一門重要的金屬加工技術(shù),盡管焊接技術(shù)發(fā)展很快,自動(dòng)化程度也越來越高，但是在小直徑容器和管道的焊接方面，單面焊雙面成形焊接技術(shù)的作用更顯突出。通過單面焊雙面成形技術(shù)特點(diǎn)分析，從裝配及定位焊、打底層焊接、填充層焊接、表面層焊接等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)探討了水平固定管焊接的工藝要求，從引弧、起弧點(diǎn)施焊、焊接時(shí)焊條角度的控制、更換焊條、接弧和收弧等主要方面提出了水平固定管對(duì)接焊操作要領(lǐng)。通過應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)于確保水平固定管焊接生產(chǎn)質(zhì)量具有重要的意義。

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